天津大学
硕士学位论文
分布式在线振动监测网络系统研究及其DSP的应用
姓名：薛婷
申请学位级别：硕士
专业：精密仪器及机械
指导教师：杨学友
20031201
中文摘要
目前根据国内外的舰船的发展，噪声振动已经成为一个不可忽略的问题。噪声振动的谱特性可以用来诊断舰船的设备运行特性，为实时发现故障提供可靠的依据，同时监测舰船的振动噪声性能，可以实现对舰船典型航态的声场特性预报。分布式在线振动监测网络系统就是在这一要求下提出来的。本文以振动信号监测分析理论和信号变换理论为基础，提出了振动监测网络系统的实现方案，并对基于ＤＳＰ的振动信号处理单元进行了较为深入的研究。
本文针对以下三个方面进行研究并取得了一定成果：
（一）分布式在线振动监测网络系统方案的研究
为了满足舰船振动监测的要求，提出了分布式在线振动监测网络系统的总体解决方案，提出网络节点拓扑形式，并采用ＣＡＮ总线和光纤进行数据传输。
（二）基于ＤＳＰ的信号处理单元的研究
在系统任务分割的前提下，完成了基于ＤＳＰ的信号处理单元硬件设计及调试，研究了基于Ｆｏｕｒｉｅｒ变换的信号处理算法，实现了振动信号的频域转换和频谱分析。
（三）振动信号测试及分析理论的研究
针对系统振动信号处理的特点和要求，参阅相关资料并结合系统实际对振动测量技术、信号分析技术和故障诊断技术进行了较为深入的研究。
关键词：舰船振动监测信号处理ＤＳＰＣＡＮ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｄａｐｔｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｎａｖａｌｓｈｉｐｓｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄ，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｄｅｖｅｌｏｐｎｅｗｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｎｏｉｓｅｓｐｅｃｔｒｕｍ
ｃａｎｂｅｕｓｅｄｔＯｄｉａｇｎｏｓｅｔｈｅｒｕｎｎｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅｓｈｉｐｓｆｏｒ
ａｎｄｔＯｐｒｅｄｉｃｔｆｉｎｄｉｎｇｏｕｔｔｈｅｔｒｏｕｂｌｅｓｉｎｔｉｍｅ，ｔｏｍｏｎｉｔｏｒｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｎｏｉｓｅｏｆｓｈｉｐｓ
ｔｈｅｓｏｕｎｄｆｉｅｌｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉＮｉｃｏｆｔｙｐｉｃａｌｎａｖｉｇｍｉｏｎｓｔａｔｅ．Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｏｎ—ｌｉｎｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋｓｙｓｔｅｍｐｒｏｖｉｄｅｓａｓｏｌｖｅｄｐｒｏｊｅｃｔ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｓｉｇｎａｌｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ａｎａｌｙｚｉｎｇａｎｄｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ，ｔｈｅｏｎ－ｌｉｎｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋｓｙｓｔｅｍｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄｓｏｍｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｎｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｕｎｉｔｗｉｔｈＤＳＰａｒｅｔａｋｅｎ．
Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｈｅｔｈｒｅｅａｓｐｅｃｔｓｂｅｌｏｗａｎｄａｃｈｉｅｖｅｓｐｏｓｉｔｉｖｅｒｅｓｕｌｔｓ：
Ｔｈｅｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｗｈｏｌｅｓｃｈｅｍｅｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｏｎ?ｌｉｎｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋｓｙｓｔｅｍ
Ｔｏｍｅｅｔｔｈｅｎｅｗｄｅｍａｎｄｓｏｆｎａｖａｌｓｈｉｐｓ，ａｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｊｅｃｔｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ
ｏｎ—ｌｉｎｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋｓｙｓｔｅｍｉｓｂｒｏｕｇｈｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄａｎｄＣＡＮｂｕｓａｎｄｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓａｒｅｕｓｅｄｔＯｔｒａｎｓｍｉｔｖｉｂｒａｔｉｏｎｄａｔａ．
ＴｈｅｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｕｎｉｔｂａｓｅｄｏｎＤＳＰ
Ｗｉｔｈｔｈｅｐｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔａｓｋｓｄｉｖｉｓｉｏｎ，ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｄｅｂｕｇｇｉｎｇｏｆｔｈｅｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＤＳＰａｒｅｆｕｌｆｉｌｌｅｄ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｓｉｇｎａｌ
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ｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｓｉｇｎａｌａｎａｌｙｚｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔｒｏｕｂｌｅｄｉａｇｎｏｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｓｔｕｄｉｅｄａｔｌｅｎｇｔｈｏｎｔｈｅｂａｓｅｏｆｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇｒｅｆｅｒｒｉｎｇｄａｔｕｍａｎｄ
ｔｈｅｆａｃｔｕａｌｓｙｓｔｅｍ．
ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎａｖａｌｓｈｉｐｓ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＤＳＰ，ＣＡＮ
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫生盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名：舔暗签字日期：’ｗ＞年，Ｌ月诏日
学位论文版权使用授权书
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学位论文作者签名：签字日期：枷，年
导师签名：
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懦专
签字日期：五坩３年Ｊ
２月工∥臼私一
第一章绪论
第一章绪论
１．１引言
电子计算机及其自动化理论、设备的日益完善和飞速发展，对舰船的快速反应能力提出了新的要求。各国都普遍将舰船搜索、识别、跟踪、判断以及操纵系统、航海校正系统、动力系统、后勤保障系统、监测系统进行了大量的技术改进，从而构成了以电子计算机为中心，综合各子系统的自动化指挥控制系统和其它各类自动监测、自动排除故障的专业维修系统。
发展舰船在线状态监测与故障诊断技术具有十分重要的意义。随着舰船电子化程度的提高，设备和仪器的结构越来越复杂，自动化程度也越来越高。由于许多无法避免因素的影响，设备有时会出现各种故障，以致降低或失去其预定的功能。同时，舰船振动噪声的增加会降低舰船的声学性能，尤其对于具有特殊使命的舰船而言，振动噪声的危害尤为重要。因此对这些设备进行在线监测与故障诊断是十分必要的。通过在线监测与故障诊断，一方面可以及时了解设备当前的工作状况，进行报警监测，同时还可将设备各种工作状态下的数据、信息进行存储、管理和分析，实现故障预报和早期诊断，变定期预防维修为预测维修。另一方面在发生故障时还能高速瞬时地保存大量异常信息以便进行事故追忆与分析。从而可以协助指挥员进行迅速、正确的指挥，缩短判断处理问题的时间。
鉴于目前航空领域内，飞机机内的振动噪声的监控尚采用了示波器这～可靠而又传统的检测仪器，目前根据国内外的舰船的发展，噪声振动已经是一个不可忽略的问题，而且可以根据噪声振动的谱特性来诊断舰船的设备运行特性。美国对于舰船声学性能的实时检测技术已经在实际中进行了应用，而在我国此项技术的研究和应用刚刚起步。在舰船上安装噪声振动实时监测网络系统，可以实现如下目的：
１、能实时检测本舰船的振动噪声性能，噪声振动谱，实现对舰船典型航态的声场特性预报；
２、可以根据试航时的原始数据，实时监控舰船的各类主机附机的运行情况，为实时发现故障提供可靠的依据。
根据国内外测试技术的发展主流，振动噪声测试的实现方式可以采用自动检测和内部检测（ＡＴＥａｕｔｏｍａｔｉｃｔｅｓｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔ和ｂｉｔｂｕｉｌｄ—ｉｎｔｅｓｔ）。在舰船内安装传感器，检测舰船内的振动情况和自噪声情况，综合分析舰船目前的声学性能。
目前，测量技术、传感器技术和计算机技术的发展为舰船在线监测与故障诊
第一章绪论
断提供了可能。微电子技术和集成电路制造技术的发展，特别是数字信号处理器（ＤＳＰ）的发展，为舰船分布式在线振动监测网络系统提供了新的解决思路和方法。通过ＤＳＰ进行快速Ｆｏｕｒｉｅｒ变换对振动数据进行频谱分析，以求得信号的频率成分、频率分布范围以及各频率成分的幅值和能量分布，可以更加灵敏、精确地描述和识别信号，对振动进行监测与故障诊断。
１．２舰船振动监测的意义及发展状况
１．２．１舰船振动声防护
声波与振动是紧密相关的，舰船上机械设备的振动常常引起声辐射。
目前纵观国内外舰船的发展，噪声振动已经是一个不可忽略的问题，对噪声的研究不仅可以使人们方便地根据其振动的谱特性来诊断舰艇的设备运行特性，而且对保护舰艇上工作人员的身体健康，以及对一些特殊使命舰艇的声学性能的提高，均具有十分重大和深远的意义。
舰船噪声”０１，按声场的性质可分为空气噪声、水噪声和结构噪声（即振动）。这些噪声都是各种声源产生的噪声的合成。各种机器由于它的振动或零部件的运动直接辐射出空气噪声。同时它的激励力将引起船体结构的振动，即形成结构噪声。而船体振动作为二次声源将向空气中辐射产生空气噪声和向水中辐射产生水噪声。Ｂ口舰船设备的振动可以引起空气噪声，结构噪声和水噪声。下面简单介绍舰船振动引起的三种噪声的危害性。
首先，空气噪声使人烦恼，易于疲劳，影响人们的工作和休息。一定强度的噪声可造成人的听觉损伤，对神经、心脏、消化系统产生不良影响，损害人的身体健康。强烈的噪声还妨害了正常的通讯联络和口令的传达。在舰船上，所有这些都将直接影响到人员的正常工作和战斗力。
其次，在结构力学和船体振动学中，振动可以给舰船带来很大的危害。振动使船体结构疲劳破坏，甚至出现裂缝，特别是在发生共振的情况下，就可能引起船只严重的损坏。振动还将影响到机器和仪表设备的正常工作，甚至使它们失灵或损坏。此外，振动将使得船体构件等作为二次声源向空气中辐射空气噪声而影响船员的工作和健康，或向水中辐射生成水噪声而影响舰船的隐蔽性能和作战能力。
最后，舰船水下噪声对舰船的危害比起上述二者更为严重。舰船的水下辐射噪声破坏舰船（特别以隐蔽性为主要特点的潜艇）的隐蔽性，为对方的水声探测器材（声纳）提供了搜索、探测和跟踪的信息。船船水下噪声又是水中兵器（如水雷与鱼雷）引信的一种重要物理参量。声引信水雷或利用声场的联合引信水雷正是
利用舰船噪声的频率、强度或相位变化来起动或引爆水雷。而采用声自导的鱼雷则是利用舰船的噪声来制导鱼雷，以自动跟踪追击舰船。同时，舰船噪声对本舰的水声观通器材造成干扰（即形成自噪声），影响到它的作用距离和精度，严重时甚至使设备无法工作。这就可能使舰船“耳目”失灵，而处于被动的地位。
随着舰船排水量的增大、动力系统功率的加大、航速的提高以及大量转动机械的应用，舰船噪声也进一步增大。而另一方面，由于电子技术的发展，水声观通器材的作用距离越来路大、精度越来越高。同时现代水中兵器迅速发展，舰船声场引信技术将得到更加广泛的应用。
因此，降低舰船噪声、采取声防护措施对于保护船员的健康，提高舰船的声学性能具有十分重要的意义。
而且，降低噪声也是提高舰船隐蔽性的主要途径，它可以大大减小被探测到的几率。降低噪声就可在某种程度上回避敌人的探测，大大提高舰船的隐蔽性。另一方面，降低噪声可减小自噪声对本舰水声观通器材的干扰，从而大大提高本舰水声观通器材的作用距离。
由此，需要对舰船振动噪声性能、噪声振动谱进行实时监测，实现对舰船典型航态的声场特性预报。
１．２．２故障诊断
故障诊断是指系统在一定的工作环境下，查明系统某种功能失调的原因及其性质，判断设备不正常状态发生的部位或部件，以及预测不正常状态的发展趋势的过程。
判断系统发生故障的准则是：在给定的工作状态下，系统的功能与约束条件是否满足正常运行时或原设计期望的要求。一般而言，引起系统故障的原因有两个方面：一是工作环境变化为非正常，即系统的输入超过了允许的范围；二是在系统的正常工作环境下，系统部件、元件的状态由量变发展到质变，或者也可以是这两者的联系作用。
随着现代工业以及科学技术的迅速发展，机械设备日趋大型化、高速化、自动化和智能化。一旦因为设备的某项故障或因为关键设备的故障而引起的灾难性事故，势必会产生巨大的损失。因此，如何对设备易发故障的故障部位进行监测，对监测来的信号进行处理，并对出现的故障或即将出现的故障进行及时、快速、准确的监测和判断，对保证设备的正常运行具有重大的意义。
故障诊断作为～个不断发展和完善的科学领域，对实时监控目前舰船的各类主机附机旋转机械的安全运行起到了关键的作用。在众多技术中，有效的振动监测和故障诊断技术可以达到以下目的：
（１）能及时、正确地对各种异常状态或故障作出诊断，预防或消除故障：（２）保证旋转机械发挥最大的设计能力，制定合理的监测维修制度，延长设备服役期和使用寿命；
（３）通过状态监测、故障分析、性能评估等，为旋转机械结构修改、优化设计、合理制造以及生产过程提供数据和信息。
振动监测与故障诊断技术的研究与应用已经经历了几十年，其间随着传感器技术、信号分析处理技术以及计算机技术的飞速发展，振动监测系统的功能得到很大的提高。在早期的故障诊断主要是依靠人工，利用触、摸、昕、看等手段对设备进行诊断，通过经验的积累，人们可以对一些设备故障做出判别，但这种手段出于其局限性，现在已不能适应对设备可靠性的要求。而信息技术和计算机技术的迅速发展以及各种先进数学算法的出现，人工智能、计算机网络技术和传感器技术等已经成为舰船振动监测系统中不可缺少的部分。
１．３本文的主要工作
本文的研究内容主要是在中国船舶工业集团公司预研项目要求的基础上，根据国内外舰船的发展，针对舰船上旋转机械的振动状况进行在线监测，诊断舰船的设备运行特性，提高舰船的声学性能，在理论上和实践上进行了深入的研究。主要进行了以下工作：
１、根据预研项目的要求，提出了分布式在线扳动监测网络系统的解决方案，包括系统网络拓扑结构，基于ＣＡＮ总线的网络传输结构，单节
点数据采集、传输模块以及数据处理模块的实现方案；
２、针对分布式在线振动监测网络系统中信号处理单元的实际应用，提出了基于ＤＳＰ的振动信号处理单元的设计方案，其中采用ＣＰＬＤ进行信
号处理的逻辑控制，完成了基于ＤＳＰ的信号处理单元的硬件设计与调
试；
３、针对基于ＤＳＰ的振动信号处理单元，提出软件设计模块，研究了基于Ｆｏｕｒｉｅｒ变换的信号处理算法，采用ｃ语言与汇编语言相结合完成ＦＦＴ，
初步实现了振动信号的频域转换和频谱分析；
４、根据分布式在线振动监测网络系统中振动信号处理的特点和要求，对振动信号的测量、分析以及故障诊断技术作了一些理论上的研究，并
结合系统实际进行了一些探讨。
第二章分布式在线振动监测网络系统
第二章分布式在线振动监测网络系统
分布式在线振动监测网络系统是根据国内外舰船的发展，在研究舰船噪声振动的基础上提出来的。系统通过对舰船振动噪声的实时监测，并分析噪声振动的谱特性来实现对舰船典型航态的声场特性预报，同时用来诊断舰船的设备运行特性，为实时发现故障提供可靠的依据。
根据被测对象的需要，分布式在线振动监测网络系统常常需要对多个节点进行测量。在现场监测中，利用ＣＡＮ总线组建网络系统，并通过网桥可以方便地进行网络扩展。每个节点主要由振动加速度传感器、振动数据采集和传送模块以及实时信号处理模块等组成。
２．１分布式在线振动监测系统网络结构
２．１．１分布式在线振动监测系统网络拓扑
分布式在线振动监测网络系统主要是针对舰船旋转机械的振动状况进行在线监测。鉴于在实际应用中，被测舰船分为多个舱室，一般为６个舱室，每个舱室中安装有３个以上旋转机械，即每个被测舰船至少需要１８个被测点。监测系统要求将每个被测点作为一个单元，各个单元能够不依赖上位机独立进行振动信号的监测，并通过ＤＳＰ数据处理系统对单元测量数据进行处理，然后将处理结果存入数据库，实现对舰船机械设备的振动信号分析，初步评价设备的运行情况，并且对各个设备振动引起的辐射噪声进行预报。
由于被测节点数量较多，系统需要组建网络结构，如图２－ｌ所示，最底层为
图２－１分布式在线振动监测系统网络结构
第二章分布式在线振动监测网络系统
其中一片通过ＣＡＮ驱动器ＭＣＰ２５５１并通过双绞线与下层各个节点单元通信，另外一片则通过ＣＡＮ驱动器ＭＣＰ２５５ｌ、光电转换接口并通过光纤与主机通信，或直接通过ＣＡＮ驱动器并通过双绞线与上一级网桥通信。
两片ＰＩＣｌ８Ｆ２４８单片机之间可以采用
并口通讯，或者采用ＳＰＩ通讯方式，在实
验过程中选择了ＳＰＩ通讯方式。这种通讯
方式与并口方式相比，虽然速度较慢，但
连线少，只需３根信号线与另一单片机相
连，即时钟信号线ＳＣＫ、数据输入信号线
ＳＤｌ和数据输出信号线ＳＤＯ，同时也能满
足系统要求，如图２－４所示。图２－４ＳＰＩ通信方式无论网桥与下级节点通讯或是与上级网桥通讯，节点单元处理后的振动数据都将通过ＣＡＮ总线传送给主机计算机。采用ＣＡＮ适配卡使主计算机与ＣＡＮ总线网络相连，该适配卡主要由带有ＣＡＮ控制器的Ｐ８７Ｃ５９２单片机、ＰＣＡ８２Ｃ２５０ＣＡＮ收发器、８２５５Ａ可编程外围接口芯片组成。Ｐ８７Ｃ５９２单片机内部集成了ＣＡＮ控制器，符合ＣＡＮ２．０Ａ标准，并行接口采用８２５５Ａ可编程外围接口芯片，ＣＡＮ转换主要由Ｐ８７Ｃ５９２单片机控制。在每一个检测节点以及网桥的向上和向下通讯中，同样需要ＣＡＮ接口芯片。一般说来有三种选择，一种是选用不带ＣＡＮ控制器的单片机＋ＣＡＮ控制器＋ＣＡＮ驱动器；一种是选用内部带有ＣＡＮ控制器的单片机＋ＣＡＮ收发器；一种是选用集合由ＣＡＮ控制器和ＣＡＮ收发器的单片机。在本系统中，选用内部集成有ＣＡＮ总线接口控制器的ＰＩＣｌ８Ｆ２４８单片机和ＣＡＮ收发器ＭＣＰ２５５１组合完成ＣＡＮ总线的功能，在编程时需要设置好ＰＩＣｌ８Ｆ２４８单片机相关的控制寄存器、发送寄存器和接收寄存器等。有关ＰＩＣｌ８Ｆ２４８单片机与ＭＣＰ２５５１芯片及其接口将在２．２节中做详细介绍。
在网桥与上级中心计算机通讯时，由于数据量比较大，采用光纤传输。有关ＣＡＮ传输和光纤传输的特点和原理将在下一节做详细地介绍。
２．１．３现场总线网与光纤传输
一、现场总线网
在本系统中，网络结构采用现场总线方式的结构，现场总线（ｆｉｅｌｄｂｕｓ）是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互联的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。目前较流行的现场总线主要有：ＣＡＮ，ＬｏｎＷｏｒｋｓ，ＰＲＯＦＩＢＵＳ，ＨＡＲＴ，ＦＦ等㈣。在本系统中采用ＣＡＮ总线组建工
其它节点的操作不受影响。
Ｂｏｓｃｈ公司在推出ＣＡＮ协议后，世界上各大半导体器件生产厂家不断推出了集成有ＣＡＮ协议的产品，使得ＣＡＮ总线的应用范围迅速扩大。它不仅应用在各种汽车上来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信，而且还广泛地应用于医疗器械、传感器、工业控制等领域。
二、光纤传输
依据传输介质ＣＡＮ总线网络可以分为３种：双绞线的ＣＡＮ总线网络，即ｗｉｒｅ．ＣＡＮ：光导纤维的ＣＡＮ总线网络，即ｆｉｂｅｒ－ＣＡＮ；同轴电缆的ＣＡＮ总线网络，即ｃｏａｘｉａｌ—ＣＡＮ。
ｆｉｂｅｒ．ＣＡＮ总线网络组网简单，抗干扰性强，能解决大容量、高速率数据的传输问题。与双绞线和同轴电缆相比，光纤的低传输损耗使中继之间距离大为增加。除此以外，光缆还具有不辐射能量、不导电、没有电感，且光缆中不存在串扰以及光信号相互干扰的影响，也不会有在线路“接头处”感应耦合导致的安全问题。
幽２．５光纤传输模式
光纤分为单模光纤和多模光纤。单模光纤直径为５９ｒｎ，只能传播一个模，如图２－５（ａ）所示，传输距离为５０ｋｉｎ：多模光纤直径为５０帅以上，能传播若干个模，如图２－５（ｂ）所示，传输距离为４ｋｍ。考虑到系统的可靠性及成本，选择多模光纤，传输速率选择１Ｍ波特率。
在分柿式在线振动网络监测系统中，由于节点较多，所以设计光纤传输网络结构如图２－６所示，其中实线为电信号，虚线为光信号。中继器和转换器分别选用波士电子公司的型号为ＯＰＴ－ＣＡＮ的ＣＡＮ／光纤转换器和型号为
图２－６光纤传输网络图
９
ＯＰＴ．ＣＡＮＥＸ的ＣＡＮ／光纤中继转换器。ＣＡＮ／光纤转换器用于将ＣＡＮ电平信号转换为光纤传输的光信号，ＣＡＮ／光纤中继转换器用于实现ＣＡＮ光纤传输的延长、多点ＣＡＮ组网时ＣＡＮ节点的光纤转换，还可以用于将一个ＣＡＮ信号同时转换成两组光纤信号传输。
２．２分布式在线监测系统单节点实现方案
在上一节，讨论了分布式在线监测系统的网络拓扑结构、总线形式以及传输结构，这一节，主要根据具体一个节点的实现要求，提出单节点的实现方案。
每个节点需要实现的功能是：通过安置在设备机座上的振动传感器获取测量信号，信号调理电路进行放大和滤波，Ａ／Ｄ转换电路将其转换为数字信号，并存入输入数据缓存器，ＤＳＰ将振动数据进行实时处理并按照要求的格式将结果存入输出数据缓存器，以上控制时序由ＣＰＬＤ完成，处理后的数据通过ＣＡＮ
图２．７单节点结构框图
总线传输给中央计算机（产生总线竞争时可自动重发），按规定格式保存在数据库，相应的分析软件实现对机械设备的振动信号分析，在线监测软件实时显示分析曲线和数据，并根据给定的门限值，进行报警或其它提示。
单节点结构如图２—７所示。由于系统比较大，考虑成本及调试的方便将硬件电路分为两部分，虚线框外为信号采集与传输部分，设计为两层ＰＣＢ板，虚线框内为信号数据处理部分，由于ＤＳＰ与ＣＰＬＤ引脚比较多，布线比较复杂，设计为四层ＰＣＢ板。
２．２．１数据采集和传输
数据采集模块的主要功能是将被测对象的振动信息经传感器转换成模拟信号，并经调理、放大和模数（Ａ／Ｄ）转换后使其成为数字信号处理器能够识别的数字信号。
在本系统采集模块中，为了保证采集信号的同步性，并且考虑到ＰＩＣＩＳＦ２４８单片机价格合适，故８路Ａ／Ｄ转换通过８片ＰＩＣｌ８Ｆ２４８单片机来完成。每个单片机接收到由ＣＰＬＤ发送的同步采集信号ＣＣＰ后，通过内部的１０位的Ａ／Ｄ转换电路，采集振动数据，并通过ＣＰＬＤ传入输入数据缓存器。ＣＰＬＤ通过同步采集信号ＣＣＰ，２根控制线ＣＢ（片选信号线ＣＳ和使能信号线Ｅ）以及８根数掘线ＤＢ与ＰＩＣｌ８Ｆ２４８连结，利用Ｉ／Ｏ口进行通信。
数据输出模块的主要功能是将ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２数字信号处理器处理完成的数据传输给上位机，利用相应的测试分析软件实现对机械设备振动信号的分析。在本系统数据输出模块中，ＤＳＰ处理后的数据传输给最上一级的ＰＩＣｌ８Ｆ２４８单片机，然后通过单片机内部集成的ＣＡＮ控制器，经ＣＡＮ现场总线网和光纤传输给中央计算机。
２．２．２数据处理
单节点信号处理单元以ＤＳＰ为核心，ＤＳＰ与ＣＰＬＤ通过地址线ＡＢ、数据线ＤＢ和读写控制线ＣＢ连结，ＤＳＰ在ＣＰＬＤ控制下从ＲＡＭ中读取数据进行处理，处理结果通过ＰＩＣｌ８Ｆ２４８的ＣＡＮ接口传送到ＣＡＮ总线上。
存储器用来存储运行过程中的数据，系统中选用容量为６４Ｋ×１６的ＳＲＡＭＣＹ７Ｃ１０２１Ｖ两片。在存储和处理数据过程中，２片ＲＡＭ分用两套总线，可以选用两套方案，一种是将两片ＲＡＭ功能分开，ＲＡＭｌ用于存储Ａ／Ｄ采集的数据，ＲＡＭ２用于存储ＤＳＰ处理后的结果，即ＤＳＰ从ＲＡＭｌ中读取数据处理后存于ＲＡＭ２中。第二种采取分页处理方案，ＤＳＰ从ＲＡＭｌ中读取数据，处理后存于ＲＡＭｌ中，再从ＲＡＭ２中读取数据，处理后存于ＲＡＭ２中，本系统中
采用了第一种方案。实时信号处理单元具体实现方案将在第三章中详细介绍。２．２．３１２Ｃ总线
在单节点设计方案中，上层ＰＩＣｌ８Ｆ２４８单片机传送Ａ／Ｄ采集的控制数据给下层的ＰＩＣｌ８Ｆ２４８单片机时，可以通过１２Ｃ总线来实现。同时，为了方便地显示系统时钟，在单节点电路设计中加入了日历时钟芯片ＰＣＦ８５８３，也通过１２Ｃ总线与单片机进行接口。
１２Ｃ总线是ｌ主ｔＰｈｉｌｉｐｓ公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线（串行时钟线ｓｃＬ和串行数据线ＳＤＡ），即可在连接于总线上的器件之间传送信息。１２Ｃ总线的主要特点有：
（１）总线上只有两根线，串行时钟线和串行数据线，这在设计中大大简化了硬件接口：
（２）每个连接到总线上的器件，都可由软件分配唯一的地址标识，建立简单的主从关系，主器件既可以作为发送器，又可作为接收器；
（３）它是一个真正的多主总线、带有竞争监测和仲裁电路，多个主机任意发送而不破坏总线上的数据：
（４）同步时钟允许器件以不同的波特率进行通讯；
（５）同步时钟可以作为停止或重新启动串行口发送的握手方式：
（６）连接到同一总线的集成电路数只受４００ｐＦ的最大总线电容的限制。
１２Ｃ串行总线上的各模块通过一条数据线和一条时钟线，按照通信协约进行寻址和信息传输，每个集成电路模块都有唯一的地址。当１２Ｃ总线中要开始通信时，是从一个主控器件对整个系统发出信号开始，这个主控器件首先送出地址信号，表示是要对哪一个从动器件进行通信，总线上所有的器件都会接收到这个地址信号，并判断这个地址是不是自己，如果不是就不予理会，如果是，
就发送一个应答信号给主控器件，主控器件收到从动器件的响应信号，就开始接下来的数据传输。
１２Ｃ有两种工作方式：主控方式和从动方式。主器件作为发送器发送串行时钟、地址和数据，从器件作为接收器可以接收数据。在ＦＣ工作方式下，
ＰＩＣｌ８Ｆ２４８单片机的ＳＣＬ引脚与ＳＤＡ引脚都必须设定为输入引脚。
１２Ｃ总线上数据传送时的启动、停止和有效状态都是由ＳＤＡ、ＳＣＬ电平状态决定的，总线状态如下。启动状态：在ＳＣＬ位于高电平时，ＳＤＡ出现一个下降沿，则启动１２ｃ总线。停止状态：在ＳＣＬ位于商电平时，ＳＤＡ出现一个上升沿，则停止１２Ｃ总线。在其余的状态，ＳＣＬ的高电平对应于ＳＤＡ的稳定数据状态，通过ＳＤＡ的电平表示每一个被传送的数据位，对于每一个被传送的数据位
第二章分布式在线振动监测网络系统
都在ＳＣＬ上产生一个时钟脉冲。在ＳＣＬ高电平期间，ＳＤＡ线上的数据必须稳定，否则被认为是控制信号，ＳＤＡ只能在ＳＣＬ低电平时改变。启动后总线状态为“忙”，停止后总线状态为“空闲”。在启动和停止之间传送数据，每个字节为８位，高位首先传送，每个字节之后必须跟一个应答位，主器件收发每个字
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图２－８１２Ｃ总线协议时序
节后产生～个时钟应答脉冲，在这期间，发送器必须保证ＳＤＡ为高，由接收器将ＳＤＡ拉低，称为应答信号（ＡＣＫ），１２Ｃ总线协议时序如图２－８所示。
１２Ｃ总线协议要求：在起始信号后面是寻址字节，将寻址字节写入ＳＳＰＳＵＢ
寄存器（缓冲器），寻址字节高７位是接收器件地址，第８位是数据传输方向位（Ｒ／Ｗ），…０’表示主控器发送数据（ｗ），“Ｉ”表示主控器接收数据（Ｒ）。寻址字节后是一个或多个数据字节，每个字节都必须有应答信号相随，传送结束后必须发送终止信号。
基本的１２Ｃ总线规范规定数据传输速率最高为１００Ｋｂｉｔｓ／ｓ，采用７位寻址。
但是由于数据传输速率和应用功能的增加，１２Ｃ总线后来增强为快速模式，传输速率为４００Ｋｂｉｔｓ／ｓ，采用ＩＯ位寻址。目前１２ｃ总线已经增加了高速模式，传输速率可达３．４Ｍｂｉｔｓ／ｓ，它使得１２Ｃ总线能够支持高速串行传输的应用。
２．３芯片介绍
一、ＰＩＣｌ８Ｆ２４８单片机
在单片机（也称微控制器Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）应用日益广泛的今天，为了适应
越来越激烈的竞争，新的半导体厂商把越来越多的外围器件集成到片内，使芯片功能越来越强大，性能也越来越高。ＰＩＣ系列微控制器脱颖而出，在世界市场份额的排名已稳定在第二。
Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ的ＰＩＣ系列是基于精简指令集（ＲＩＳＣ）的ＭＣＵ，共有１６０多个
型号，具有低电压、低功耗以及易于使用等特点，各系列之间可以无缝移植，为嵌入式控制设计提供了完全的向上兼容性。ＰＩＣｌ８Ｆ２４８／４４８是ＰＩＣ系列中最高端的的１６位程序存储器的增强型单片机，可以用于极为复杂的控制场合。具体特点如下：
（】）高性能ＲＩＳＣＣＰＵ；．
（２）精简指令，１６位指令宽度，８位数据宽度，运行速度可达１０ＭＩＰＳ；（３）支持ＣＡＮｌ．２，ＣＡＮ２．０Ａ，ＣＡＮ２．０Ｂ通讯协议，除ＣＡＮ接口外还具有１２Ｃ、ＳＰＩ、ＵｓＡＲＴ等通讯接口，方便调试；
（４）１０．ｂｉｔ，８－ｃｈａｎｎｅｌＡ／Ｄ转换接口；
（５）内置看门狗电路，ＳＬＥＥＰ工作模式，４倍时钟锁相环；
（６）高达１６Ｋ的低功耗、高速ＦｌａｓｈＭｅｍｏｒｙ空间。
系统中使用了ＰＩＣｌ８Ｆ２４８单片机，利用其Ａ／Ｄ转换模块完成了振动数据的采集，同时利用其ＣＡＮ总线模块实现了数据的传输以及网络拓扑扩展，提高了系统在噪声环境下的抗干扰能力。
二、ＭＣＰ２５５１驱动芯片及接口电路
ＣＡＮ驱动芯片选用Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的ＭＣＰ２５５ｌ芯片，与ＰＩＣｌ８Ｆ２４８单片机配合实现ＣＡＮ总线上数据的传输。ＭＣＰ２５５１芯片支持差分收发，可以有效去处噪声干扰，可根据需要在外部连接不同阻值的限斜率电阻，可将多个节点与同一网络连接。作为ＣＡＮ协议控制器和系统物理总线的接口，其主要特点如下：
（１）符合ＩＳＯｌｌ８９８标准，具有外部控制输出斜率的功能，以减少ＲＦＩ干扰信号的发射：
（２）通过采用斜率控制输入脚，可控制（减缓）差分输出信号（ＣＡＮＨ和ＣＡＮＬ）的变化，从而可采用低成本的非屏蔽线来部署网络，并使辐射控制在可接受的水平之内；
（３）可使ＣＡＮＨ和ＣＡＮＬ不受ＣＡＮ总线上可能出现的电池短路和电压瞬变的影响，防止输出级因此损坏；
（４）自动热传感关闭电路使结点温度超过１６５＂Ｃ标定值时，输出驱动器停止工作，其它部分仍正常工作，但是由于发射级输出的功耗降低，因此芯片温度也随之降低．还有永久主模检测功能等。
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图２－９ＭＣＰ２５５１接口电路
ＭＣＰ２５５ｌ芯片与ＰＩＣｌ８Ｆ２４８单片机接口电路如图２－９所示。
三、同历时钟芯片ＰＣＦ８５８３
ＰＣＦ８５８３为带１２ｃ总线接口的日历时钟芯片，其中还有２５６字节的静态ＲＡＭ。由于作为Ｆ１历时钟器件配置有电池供电，可作为ＲＡＭ的保护电源，故２５６字节的ＲＡＭ可视为非易失性ＲＡＭ。ＰＣＦ８５８３的主要技术性能如下：（１）宽的工作电压范围２．５Ｖ～６Ｖ；
（２）ＲＡＭ数据保持电源电压范围ｌＶ～６Ｖ；
（３）最大工作电流５０ｕＡ（ｆｓｃＬ＝０Ｈｚ））
（４）４年同历时钟，２４或１２小时格式，时基３２，７６８ｋＨｚ或５０Ｈｚ；
（５）具有可编程的闹钟、定时和中断功能。
ＰＣＦ８５８３与ＰＩＣｌ８Ｆ２４８接口电路如图２．１０所示。
闰２．１０ＰＣＦ８５８３接１２１电路
设计中采用三个二极管，由于ＤＳＰ用３．３Ｖ供电，电池为３．６Ｖ，这样可以很好地解决在掉电情况下电池只对ＰＣＦ８５８３供电，而在不掉电情况下ＰＣＦ８５８３由３．３ｖ供电，且电池处于浮充状态。
２．４本章小结
本章主要介绍了分布式在线振动监测网络系统总体方案。在被测对象要求多节点的前提下，提出了系统的网络拓扑扩展和传输的设计思路，针对单一节点的任务要求，提出了系统振动数据采集、传输模块以及信号处理模块的解决方案，实现了舰船振动信号的分布式在线监测，满足了设计要求，并对系统采集和传输单元中应用到的芯片做了较为详细的介绍。